BR112018007967B1 - SPRING SYSTEM FOR HIGH WORKLOADS - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE MOLAS PARA ALTAS CARGAS DE TRABALHO. A presente invenção refere-se a sistemas de molas para aplicações submarinas e em projetos de equipamentos para a área de óleo e gás. Os sistemas de molas segundo a presente invenção são preferencialmente fabricados com materiais compósitos e compreendem, pelo menos, um par de molas (3) consistindo de um primeiro componente de mola (1) e um segundo componente de mola (2), montado de modo a oferecer uma primeira região de contato central (4) e áreas de dupla curvatura e ressalto formando um engate (6), dito par de molas (3) sendo assim auto-centralizável.SPRING SYSTEM FOR HIGH WORK LOADS. The present invention refers to spring systems for subsea applications and equipment projects for the oil and gas area. The spring systems according to the present invention are preferably manufactured with composite materials and comprise at least a pair of springs (3) consisting of a first spring component (1) and a second spring component (2), mounted so to offer a first region of central contact (4) and areas of double curvature and projection forming an engagement (6), said pair of springs (3) being thus self-centering.
Description
[001] A presente invenção trata de sistemas de molas para serem utilizados em aplicações submarinas e em projetos de equipamentos para a área de óleo e gás. Mais especificamente, a presente invenção trata de sistemas de molas com topologia de montagem similar à utilizada em molas do tipo Belleville. Preferencialmente, as molas de acordo com a presente invenção são fabricadas com materiais compósitos, materiais metálicos ou qualquer outro material que venha a ser desenvolvido e assim possa ser aplicado nas referidas molas.[001] The present invention deals with spring systems to be used in underwater applications and equipment projects for the oil and gas area. More specifically, the present invention deals with spring systems with an assembly topology similar to that used in Belleville type springs. Preferably, the springs according to the present invention are manufactured with composite materials, metallic materials or any other material that may be developed and thus can be applied to said springs.
[002] Como bem conhecido dos técnicos versados no assunto, as molas helicoidais fabricadas com materiais metálicos são amplamente utilizadas em equipamentos mecânicos. Na área de óleo e gás são muito utilizadas em atuadores hidráulicos submarinos, mas requerendo sua imersão em óleo para garantir resistência à corrosão em ambientes marinhos. A aplicação dessas molas helicoidais exige ainda a utilização de um sistema de compensação de pressão para proporcionar seu adequado funcionamento.[002] As well known to technicians versed in the subject, helical springs made of metallic materials are widely used in mechanical equipment. In the oil and gas area, they are widely used in subsea hydraulic actuators, but require immersion in oil to ensure corrosion resistance in marine environments. The application of these helical springs also requires the use of a pressure compensation system to ensure proper operation.
[003] Molas Belleville, também chamadas de arruelas Belleville, molas disco, cônicas ou anilhas Belleville foram reveladas por J. F. Belleville em 1867 e, naquela época, se constituíam em um novo tipo de mola com relação não linear entre a carga de trabalho e a deformação.[003] Belleville springs, also called Belleville washers, disc springs, conical springs or Belleville washers were revealed by J. F. Belleville in 1867 and, at that time, constituted a new type of spring with a non-linear relationship between the workload and the deformation.
[004] Uma propriedade dessa classe de molas é a alta capacidade de armazenamento de energia potencial elástica com pouca deflexão, permitindo assim sua aplicação em projetos que requerem dimensões reduzidas, podendo também ser utilizada com diferentes configurações, em série, paralelo ou em um arranjo duplo. Essas molas também são utilizadas para manter altas tensões em aplicações aparafusadas como comutadores, compensando diferentes taxas de expansão em articulações e mantendo a pressão necessária. Exemplos de aplicações estão em todos os campos da engenharia mecânica, desde atuadores hidráulicos submarinos, aplicação objetivada pela presente invenção, embreagens e sistemas de amortecimento, até em amortecedores de calçados.[004] A property of this class of springs is the high storage capacity of elastic potential energy with little deflection, thus allowing its application in projects that require reduced dimensions, and can also be used with different configurations, in series, parallel or in an arrangement double. These springs are also used to maintain high stresses in bolted applications such as switches, compensating for different expansion rates in joints and maintaining the required pressure. Examples of applications are in all fields of mechanical engineering, from underwater hydraulic actuators, the application aimed at by the present invention, clutches and damping systems, to shock absorbers for shoes.
[005] A mola do tipo Belleville tem formato cônico, sendo normalmente fabricada em materiais metálicos. Na área de óleo e gás é utilizada principalmente em atuadores hidráulicos submarinos, em casos que se exige um elevado nível de armazenamento de energia potencial elástica. No entanto, essas molas apresentam algumas deficiências como peso, fator este cada vez mais importante na eficiência de execução de um projeto, susceptibilidade de corrosão e fragilização por hidrogênio produzido pela proteção catódica. Uma solução é mantê-las imersas em solução de óleo e isoladas do ambiente marinho, tal como ocorre com as molas helicoidais, entretanto esses sistemas requerem compensação de pressão para permitir o movimento da mola. Outros problemas estão relacionados aos sistemas de vedação e contaminação quando armazenados por altos períodos de tempo. Tais soluções aumentam o tamanho do equipamento e consequentemente os custos de produção e transporte.[005] The Belleville type spring has a conical shape, and is usually made of metallic materials. In the oil and gas area, it is mainly used in subsea hydraulic actuators, in cases where a high level of elastic potential energy storage is required. However, these springs have some shortcomings such as weight, an increasingly important factor in the efficiency of project execution, susceptibility to corrosion and embrittlement by hydrogen produced by cathodic protection. One solution is to keep them immersed in an oil solution and isolated from the marine environment, as with coil springs, however these systems require pressure compensation to allow spring movement. Other problems are related to sealing systems and contamination when stored for long periods of time. Such solutions increase the size of the equipment and consequently the costs of production and transportation.
[006] Não obstante, as molas do tipo Belleville possuem uma grande flexibilidade para projeto, podendo ser montadas em conjuntos em serie para aumento do curso admissível, bem como em conjuntos em paralelo para o aumento da capacidade de armazenamento de energia potencial elástica para um mesmo valor de deslocamento. As molas do tipo Belleville são também chamadas de molas prato, tendo em vista seu formato geral circular. Da mesma forma que as molas helicoidais, apresentam a desvantagem de estarem sujeitas à corrosão e à fragilização por hidrogênio produzido pela proteção catódica. Vários documentos de patentes revelam montagens desse tipo de mola, alguns a seguir citados como exemplo.[006] Nevertheless, Belleville-type springs have great flexibility for design, and can be assembled in sets in series to increase the permissible stroke, as well as in sets in parallel to increase the storage capacity of elastic potential energy for a same displacement value. Belleville type springs are also called disc springs due to their general circular shape. Like helical springs, they have the disadvantage of being subject to corrosion and embrittlement by hydrogen produced by cathodic protection. Various patent documents disclose assemblies of this type of spring, some of which are cited below as an example.
[007] O documento JPH1054432(A) revela uma associação de molas Belleville desenvolvidas para solucionar problemas relacionados ao movimento lateral relativo entre as molas que compõem a associação. Tendo isso em vista, dita associação prevê discos providos de protuberâncias e sulcos em lados opostamente simétricos, como pode ser observado na Figura 4 do documento, de modo a proporcionar a correta montagem e fixação dos elementos entre si. Essa associação, no entanto, necessita de dois ressaltos para auto-centralizar as molas, o que representa uma dificuldade de fabricação e montagem do conjunto.[007] The document JPH1054432(A) reveals an association of Belleville springs developed to solve problems related to the relative lateral movement between the springs that make up the association. With that in mind, said association provides for discs provided with protrusions and grooves on oppositely symmetrical sides, as can be seen in Figure 4 of the document, in order to provide the correct assembly and fastening of the elements to each other. This association, however, needs two shoulders to self-center the springs, which represents a difficulty in manufacturing and assembling the set.
[008] O documento JPS62237129A também ilustra um tipo de montagem dessas molas, porém requer a presença de luvas nas molas que são preenchidos com um arame curvado através do qual a força é transmitida.[008] The document JPS62237129A also illustrates a type of assembly of these springs, but requires the presence of sleeves in the springs that are filled with a curved wire through which the force is transmitted.
[009] O documento US2011037210(A1) descreve molas disco de formato cônico. Essas molas possuem característica de montagem em que uma pluralidade de discos podem ser montados em série, ou paralelo, sendo axialmente alinhados. No entanto, a montagem de um feixe dessas molas requer obrigatoriamente um elemento auxiliar que tem a função de centralizar ditas molas na configuração em série de forma que se possa conseguir o alinhamento axial das mesmas.[009] Document US2011037210(A1) describes conical disc springs. These springs have a mounting feature in which a plurality of discs can be mounted in series, or parallel, being axially aligned. However, the assembly of a bundle of these springs necessarily requires an auxiliary element that has the function of centralizing said springs in the series configuration so that their axial alignment can be achieved.
[0010] Assim, é o principal objetivo da presente invenção prover um sistema de molas para altas cargas de trabalho que possa solucionar vantajosamente as deficiências daqueles existentes no estado da técnica, notadamente em aplicações submarinas, pelo fato de que ditas molas possuem geometria cilíndrica que possibilita sua auto-centralização em qualquer posição de montagem sem necessidade de qualquer elemento complementar, independentemente do tipo de montagem.[0010] Thus, it is the main objective of the present invention to provide a spring system for high workloads that can advantageously solve the deficiencies of those existing in the state of the art, notably in underwater applications, due to the fact that said springs have a cylindrical geometry that allows its self-centering in any mounting position without the need for any complementary element, regardless of the mounting type.
[0011] Com esse objetivo, as molas segundo a presente invenção possuem geometria completamente diferente e mais adequada para a produção e funcionamento com materiais compósitos.[0011] For this purpose, the springs according to the present invention have a completely different geometry and are more suitable for production and operation with composite materials.
[0012] De uma forma geral, um sistema de molas para altas cargas de trabalho segundo a presente invenção compreenderá um par de molas que se auto- centraliza, sendo uma primeira mola cilíndrica e uma segunda mola cilíndrica com dupla curvatura, de modo a permitir um sistema auto-centralizado em todas e quaisquer posições de montagem.[0012] In general, a spring system for high work loads according to the present invention will comprise a pair of springs that self-center, being a first cylindrical spring and a second cylindrical spring with double curvature, in order to allow a self-centering system in any and all mounting positions.
[0013] De acordo com a presente invenção, é provido um sistema de molas do tipo Belleville, montado em série, paralelo ou qualquer combinação dessas, ditas molas sendo produzidas preferencialmente em materiais compósitos, as quais incorporam mecanismos de auto-centralização e são adequadamente aplicadas para operação com altas cargas de trabalho.[0013] According to the present invention, a Belleville-type spring system is provided, mounted in series, parallel or any combination thereof, said springs being preferably produced in composite materials, which incorporate self-centering mechanisms and are suitably applied for operation with high workloads.
[0014] Como será apreciado, o sistema de molas segundo a presente invenção e configurado em pelo menos um par de componentes, compreendendo em sua região de contato regiões de dupla curvatura e ressalto, sendo essa característica responsável pela auto-centralização do conjunto. A topologia de montagem pode ser uma similar àquelas das molas Belleville, porém diferindo destas pela sua geometria, tendo em vista que enquanto um componente de mola tem formato predominantemente cilíndrico, o segundo componente de mola tem formato cilíndrico por partes.[0014] As will be appreciated, the spring system according to the present invention is configured in at least one pair of components, comprising in its contact region regions of double curvature and rebound, this characteristic being responsible for the self-centering of the set. The assembly topology can be similar to that of Belleville springs, however differing from these by its geometry, considering that while a spring component has a predominantly cylindrical shape, the second spring component has a cylindrical shape in parts.
[0015] Observa-se, então, que o sistema de molas segundo a presente invenção compreende um par que se auto-centraliza, sendo uma primeira mola cilíndrica e uma segunda mola cilíndrica com dupla curvatura para permitir a auto-centralização em todas as posições de montagem.[0015] It is observed, then, that the spring system according to the present invention comprises a self-centering pair, with a first cylindrical spring and a second cylindrical spring with double curvature to allow self-centering in all positions assembly.
[0016] O sistema de molas para altas cargas de trabalho segundo a presente invenção poderá ser bem compreendido a partir das figuras ilustrativas em anexo, as quais de uma forma esquemática e não limitativa de seu escopo representam: - Figura 1 - vista frontal de um par de componentes do sistema de molas segundo a presente invenção; - Figura2 - vista frontal de um sistema de molas segundo a presente invenção montado em série; - Figura 3 - vista frontal de um sistema de molas segundo a presente invenção montado em paralelo; - Figura 4 - vista em perspectiva do sistema de molas ilustrado na montagem da Figura 2; - Figura 5 - Detalhe ampliado da característica de auto-centralização dos componentes do sistema de molas ilustrado na Figura 2; - Figura 6 - Base de conceitos para fabricação de um componente do sistema de molas segundo a presente invenção.[0016] The spring system for high work loads according to the present invention can be well understood from the attached illustrative figures, which in a schematic and non-limiting way of their scope represent: - Figure 1 - front view of a pair of components of the spring system according to the present invention; - Figure 2 - front view of a spring system according to the present invention mounted in series; - Figure 3 - front view of a spring system according to the present invention mounted in parallel; - Figure 4 - perspective view of the spring system illustrated in the assembly of Figure 2; - Figure 5 - Enlarged detail of the self-centering characteristic of the components of the spring system illustrated in Figure 2; - Figure 6 - Basic concepts for manufacturing a component of the spring system according to the present invention.
[0017] Em um primeiro aspecto, de acordo com a Figura 1, a presente invenção fornece um sistema de molas para altas cargas de trabalho que compreende pelo menos um par de molas (3) formado por um primeiro componente de mola (1) e um segundo componente de mola (2). Ditos primeiro componente de mola (1) e segundo componente de mola (2) possuem topologia similar às molas Belleville, mas destas diferindo pela sua geometria.[0017] In a first aspect, according to Figure 1, the present invention provides a spring system for high work loads comprising at least one pair of springs (3) formed by a first spring component (1) and a second spring component (2). Said first spring component (1) and second spring component (2) have a similar topology to Belleville springs, but differing from these in terms of their geometry.
[0018] O componente de mola (1) possui geometria predominantemente cilíndrica, enquanto que o componente de mola (2) possui geometria cilíndrica por partes. Assim, pode ser verificado que se obtém uma primeira região de contato central (4) entre ditos primeiro componente de mola (1) e segundo componente de mola (2), que permitem a auto-centralização dos componentes (1) e (2).[0018] The spring component (1) has predominantly cylindrical geometry, while the spring component (2) has cylindrical geometry in parts. Thus, it can be verified that a first central contact region (4) is obtained between said first spring component (1) and second spring component (2), which allow the self-centering of the components (1) and (2) .
[0019] O sistema de molas segundo a presente invenção pode ser montado, por exemplo, conforme ilustrado nas Figuras 2 e 4, em uma configuração em série. Nesse sistema de montagem em série, têm-se dois pares de molas (3), sendo um primeiro par de molas compreendendo um primeiro componente de mola (1) e um segundo componente de mola (2), dito primeiro par de molas sendo montado de forma contígua, ou seja, em série, com um segundo par de molas compreendendo um primeiro componente de mola (1a) e um segundo componente de mola (2a).[0019] The spring system according to the present invention can be assembled, for example, as illustrated in Figures 2 and 4, in a series configuration. In this series assembly system, there are two pairs of springs (3), a first pair of springs comprising a first spring component (1) and a second spring component (2), said first pair of springs being assembled contiguously, i.e. in series, with a second pair of springs comprising a first spring member (1a) and a second spring member (2a).
[0020] Conforme ilustrado em detalhe ampliado na Figura 5, nessa condição, além de se obter uma primeira região de contato central (4) entre ditos primeiro componente de mola (1) e segundo componente de mola (2), também se obtém uma segunda região de contato (5) através de áreas de dupla curvatura e ressalto para que o conjunto proporcione características de auto- centralização, impedindo assim movimentos relativos transversais entre o dito segundo componente de mola (2) e o subseqüente primeiro componente de mola (1a), por meio de um engate (6).[0020] As illustrated in enlarged detail in Figure 5, in this condition, in addition to obtaining a first central contact region (4) between said first spring component (1) and second spring component (2), a second contact region (5) through areas of double curvature and rebound so that the assembly provides self-centering characteristics, thus preventing transverse relative movements between said second spring component (2) and the subsequent first spring component (1a ), by means of a coupling (6).
[0021] O sistema de molas segundo a presente invenção pode ainda ser montado, por exemplo, conforme ilustrado na Figura 3, em uma configuração em paralelo. Nesse sistema de montagem em paralelo, têm-se um primeiro conjunto de componentes de molas (1, 1a) montadas em paralelo, o qual forma um primeiro par de molas (7a) com um segundo conjunto de componentes de molas (2, 2a) também montadas em paralelo. Como pode ser observado, dito primeiro par de molas (7a) pode ser assim montado em uma configuração em série com um segundo par de molas (7b), provendo com este as mesmas características de região de contato (5) através de áreas de dupla curvatura e ressalto para que o conjunto obtenha a característica de auto-centralização, impedindo assim movimentos relativos transversais entre ditos primeiro par mola (7a) e segundo par de molas (7b) por via de um engate (6).[0021] The spring system according to the present invention can also be mounted, for example, as illustrated in Figure 3, in a parallel configuration. In this parallel assembly system, there is a first set of spring components (1, 1a) mounted in parallel, which forms a first pair of springs (7a) with a second set of spring components (2, 2a) also mounted in parallel. As can be seen, said first pair of springs (7a) can thus be assembled in a series configuration with a second pair of springs (7b), providing with the latter the same characteristics of the contact region (5) through areas of double curvature and rebound so that the assembly obtains the characteristic of self-centering, thus preventing transverse relative movements between said first pair of springs (7a) and second pair of springs (7b) via a coupling (6).
[0022] O sistema de montagem em paralelo, segundo a Figura 3 acima descrita, é especialmente adequado para ser utilizado para aumento da força máxima do sistema de mola segundo a presente invenção, para uma mesma deformação.[0022] The parallel assembly system, according to Figure 3 described above, is especially suitable to be used to increase the maximum force of the spring system according to the present invention, for the same deformation.
[0023] Em um segundo aspecto, a presente invenção proporciona dois conceitos de fabricação das molas para altas cargas de trabalho acima descritas, conforme ilustrado na Figura 6. No conceito 1, o laminado de compósito (10) é fabricado por qualquer processo conhecido, mas deve ser tal que proporcione a realização de um orifício central (20) para a passagem da haste de um atuador hidráulico. No conceito 2, dita mola deve ser fabricada por meio de dois laminados (30, 40) unidos por uma matriz (50, 60) de modo a proporcionar um orifício (70) para a passagem da haste de um atuador hidráulico.[0023] In a second aspect, the present invention provides two concepts for manufacturing the springs for high workloads described above, as illustrated in Figure 6. In concept 1, the composite laminate (10) is manufactured by any known process, but it must be such as to provide a central hole (20) for the passage of the rod of a hydraulic actuator. In concept 2, said spring must be manufactured by means of two laminates (30, 40) joined by a matrix (50, 60) in order to provide a hole (70) for the passage of the rod of a hydraulic actuator.
[0024] A mola do sistema de mola segundo a presente invenção pode ser fabricada utilizando várias metodologias de fabricação. O material compósito com matriz em peek e fibra de carbono é preferido, mas não a ele limitado, quando a utilização do sistema de molas for direcionada ao ambiente submarino. Assim, outros materiais podem ser utilizados, incluindo os materiais metálicos.[0024] The spring of the spring system according to the present invention can be manufactured using various manufacturing methodologies. Composite material with peek matrix and carbon fiber is preferred, but not limited to, when using the spring system in the subsea environment. Thus, other materials can be used, including metallic materials.
[0025] A utilização de materiais compósitos na fabricação das molas que compõem o sistema de molas segundo a presente invenção tem a vantagem de eliminar todos os problemas de corrosão e de compatibilidade com o hidrogênio liberado pelos sistemas de proteção catódica em ambientes submarinos. A eliminação da necessidade de manter um reservatório de compensação de pressão é outra das grandes vantagens de utilização de materiais compósitos para ditas molas utilizadas em ambiente submarino.[0025] The use of composite materials in the manufacture of springs that make up the spring system according to the present invention has the advantage of eliminating all problems of corrosion and compatibility with hydrogen released by cathodic protection systems in underwater environments. The elimination of the need to maintain a pressure compensation reservoir is another of the great advantages of using composite materials for said springs used in a subsea environment.
[0026] Além disso, a utilização do sistema de molas segundo a presente invenção em atuadores submarinos permitirá a redução de custo do projeto de equipamentos com a redução do tamanho dos blocos da árvore de natal submarina, além de um consequente aumento da confiabilidade dos equipamentos com sua simplificação.[0026] In addition, the use of the spring system according to the present invention in subsea actuators will reduce the cost of equipment design by reducing the size of the subsea Christmas tree blocks, in addition to a consequent increase in equipment reliability with its simplification.
[0027] O sistema de molas objeto da presente invenção foi concebido com vistas à utilização em equipamentos submarinos, para o armazenamento de energia potencial elástica para o acionamento de válvulas submarinas através de atuadores hidráulicos. Não obstante, essa aplicação não é única, tendo em vista que o sistema de molas segundo a presente invenção pode ser utilizado para o armazenamento de energia em qualquer tipo de equipamento submarino, ou mesmo de superfície, na área de óleo e gás, como também em outras áreas de aplicações gerais da engenharia mecânica.[0027] The spring system object of the present invention was designed for use in subsea equipment, for the storage of elastic potential energy for actuating subsea valves through hydraulic actuators. However, this application is not unique, considering that the spring system according to the present invention can be used for energy storage in any type of subsea equipment, or even surface equipment, in the oil and gas area, as well as in other general application areas of mechanical engineering.
[0028] Os técnicos versados no assunto apreciarão, ainda, que a geometria da mola que compõe o sistema de molas da presente invenção confere uma importante característica, relacionada ao fato de a mesma ser auto- centralizável, sendo esta uma vantagem extra em relação às molas tipo Belleville do estado da técnica, as quais não possuem essa característica.[0028] Technicians versed in the subject will also appreciate that the geometry of the spring that makes up the spring system of the present invention confers an important characteristic, related to the fact that it is self-centering, which is an extra advantage over the other state-of-the-art Belleville springs, which do not have this characteristic.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/BR2015/050255 WO2017100872A1 (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Spring system for high workloads |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BR112018007967A2 BR112018007967A2 (en) | 2018-10-30 |
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